Царские воеводы не разработали никаких планов на случай нападения Батория на Великие Луки. Уже в течение полутора десятилетий Великие Луки были тыловой крепостью. Деревянные стены города обветшали, гарнизон был невелик, имел ограниченный запас боеприпасов и своевременно не получил подкреплений.
27 августа 1580 года королевская армия осадила Великие Луки. Располагая значительным превосходством в силах, поляки рассчитывали быстро овладеть крепостью, но натолкнулись на упорное сопротивление. В первые же дни осады защитники крепости произвели смелую вылазку, опрокинули часть отряда Замойского и захватили королевское знамя. Попытка общего штурма не удалась. Атаковавшие понесли потери. Лишь после того как неприятелю удалось поджечь деревянные стены и весь город был охвачен пожаром, царские воеводы 5 сентября 1580 года сдали крепость. Королевские наемники учинили резню среди пленных.
Польский ротмистр Дрогобыш при осаде Великих Лук был убит первым же ядром со стены города из затинной пищали (мелкокалиберного орудия), когда устраивался с мушкетом на выгодной позиции. Безусловно, этот, один из частных
примеров свидетельствует о высоком мастерстве русских пушкарей и пищальникоб.
Пока король Стефан Баторий осаждал Великие Луки, литовская армия напала на Смоленск, но была разгромлена действовавшими там русскими войсками. Частный успех под Смоленском, однако, не мог изменить общего хода военных действий, складывавшегося не в пользу русских сил.